基于LFSR優(yōu)化的BIST低功耗設(shè)計
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隨著便攜式設(shè)備和無線通訊系統(tǒng)在現(xiàn)實生活中越來越廣泛的使用，可測性設(shè)計(DFT)的功耗問題引起了VLSI設(shè)計者越來越多的關(guān)注。因為在測試模式下電路的功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常模式，必將帶來如電池壽命、芯片封裝、可靠性等一系列問題。隨著集成電路的發(fā)展，內(nèi)建自測試(BIST)因為具備了諸多優(yōu)越性能(如降低測試對自動測試設(shè)備在性能和成本上的要求、可以進(jìn)行At―speed測試及有助于保IP核的知識產(chǎn)權(quán)等)，已成為解決SoC測試問題的首選可測性設(shè)計手段。
在BIST中常用線性反饋移位寄存器(LFSR)作為測試模式生成器(TPG)。LFSR必須產(chǎn)生很長的測試矢量集才能滿足故障覆蓋率的要求，但這些矢量消耗了大量的功率。
另外，在系統(tǒng)工作模式下，應(yīng)用于給定電路的連續(xù)功能輸入矢量具有重要的相關(guān)性，而由LFSR產(chǎn)生的連續(xù)測試模式之間的相關(guān)性很低。因此，在自測試期間會增加電路中節(jié)點的翻轉(zhuǎn)活動，導(dǎo)致功耗增大。
2 功耗分析和WSA模型
CMOS電路中功耗的來源主要分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩種。漏電流或從電源供給中持續(xù)流出的其它電流導(dǎo)致靜態(tài)功耗。動態(tài)功耗則是因為短路電流和負(fù)載電容的充放電，從而由電路正常工作時的功能跳變所引起的，它包括功能跳變、短路電流、競爭冒險等。對于CMOS工藝來說，目前動態(tài)功耗是電路功耗的主要來源。
對于節(jié)點i上每次開關(guān)上的功耗為：
式中，Si是單周期內(nèi)翻轉(zhuǎn)的次數(shù)，F(xiàn)i是節(jié)點i的扇出，C0是最小輸出負(fù)載電容，VDD是電源電壓。
從式(1)看出，門級的功耗估計與Si和Fi的乘積和節(jié)點i的翻轉(zhuǎn)次數(shù)有關(guān)。節(jié)點的扇出由電路拓?fù)錄Q定，而它的翻轉(zhuǎn)次數(shù)由邏輯模擬器來估計。這個乘積即稱為節(jié)點i的權(quán)重翻轉(zhuǎn)活動(Weighted Switching Activity，WSA)。在測試過程中WSA是節(jié)點i功耗Ei的唯一變量，所以WSA可作為該節(jié)點的功耗估計。對于一對連續(xù)的輸入矢量TPk=(Vk-1，Vk)，電路總的WSA為：
式中i是電路中所有節(jié)點的個數(shù)，S(i，k)是由TPk所激勵節(jié)點i的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。
根據(jù)式(2)，考慮長度為L的測試矢量TS作為電路的輸入矢量，電路總的WSA為：
根據(jù)以上功率和能量消耗的表達(dá)式，再給定一個電路設(shè)計為CMOS的工藝和供給電源，可得以下結(jié)論：
(1)電路中節(jié)點i的跳變數(shù)成為唯一的影響能量、最大功耗和平均功耗的參數(shù)。
(2)測試中時鐘的頻率也影響著平均功耗和最大功耗。
(3)測試長度，即施加在待測電路(CUT)上的測試向量的數(shù)目一只影響總的能量的消耗。
3 LFSR優(yōu)化的低功耗方法
通過對測試過程的功耗分析可知，選擇BIST低功耗的方案時，一方面可以通過減少測試序列長度來實現(xiàn)(但該方法往往以犧牲故障覆蓋率為代價)，另一方面降低WSA值也可實現(xiàn)系統(tǒng)功耗的降低。
在BIST結(jié)構(gòu)中，線性反饋移位寄存器(LFSR)由于結(jié)構(gòu)的簡單性、規(guī)則性、非常好的隨機測試矢量生成特性、用來壓縮測試響應(yīng)時的混淆概率非常小等特點，在DFT的掃描環(huán)境中很容易集成，所以當(dāng)從掃描DFT設(shè)計升級成BIST設(shè)計時，LFSR因其硬件開銷很小而成為BIST中應(yīng)用最廣的矢量生成結(jié)構(gòu)。
基于LFSR優(yōu)化的BIST結(jié)構(gòu)可分為test―per-一scan和test―per―clock兩類結(jié)構(gòu)。test―per―scan技術(shù)引起的面積開銷較小，測試結(jié)構(gòu)簡單，易于擴展：而test―per―clock在一個周期內(nèi)可實現(xiàn)矢量的生成和響應(yīng)壓縮，能夠完成快速的測試。
3．1 基于掃描的test―per―scan方式
3．1．1 基本結(jié)構(gòu)
test―per一scan內(nèi)建自測試的目標(biāo)是盡可能的降低硬件開銷。這種結(jié)構(gòu)在每個輸入輸出端口處使用LFSR與寄存器的組合來代替LFSR。圖l是test―per-scan內(nèi)建自測試的基本電路結(jié)構(gòu)。在內(nèi)建自測試矢量下，LFSR生成測試矢量并且通過掃描移位寄存器(shift register)將測試矢量移位到待測電路(CUT)的輸入端，同時響應(yīng)被移入LFSR并壓縮。
3．1．2 原理
全掃描或部分掃描設(shè)計中由于移位會產(chǎn)生比較大的功耗?；趻呙璧膖est一per-scan低功耗設(shè)計方法需要修改標(biāo)準(zhǔn)的掃描設(shè)計，降低狀態(tài)轉(zhuǎn)換活動率。沒計修改包括在移位期間用于屏蔽掃描路徑活動的一些門控邏輯，以及對用于抑制隨機模式的附加邏輯進(jìn)行綜合等。
3．1. 3 部分掃描算法
根據(jù)以上掃描設(shè)計原理，在消除測試序列中的冗余模式之后，采用圖2所示的部分掃描算法對待測電路進(jìn)行部分掃描設(shè)計。其步驟如下：
①首先刪除所有自反饋時序邏輯對應(yīng)的頂點。
②在數(shù)據(jù)流圖中查找所有的強連通單元(Strongly Connected Components，簡稱SCC)。
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